VTŠ Novi Beograd

SEMINARSKI RAD IZ MATERIJALA

BAKAR

Profesor: Radivoj S. Popović Student: Viktor Milanov 15/09

Sadržaj:

Uopšteno o elementu…………………………………………………3

Hemijski podaci………………………………………………………….5

Fizičke osobine…………………………………………………………..6

Dobijanje bakra………………………………………………………….7

Svojstva I upotreba bakra…………………………………………..9

Legure bakra………………………………………………………………9

Mesing………………………………………………………………………11

Bronza……………………………………………………………………….12

Izotopi……………………………………………………………………….13

Minerali I proizvodnja……………………………………………….14

Proizvodi od bronze…………………………………………………..15

Literatura………………………………………………………………….16

2

Uopšteno o elementu

Lat. cuprum, crveni metal gustoće 8.96, posle srebra najbolji provodnik toplote i elektriciteta. Dužim stajanjem potamni oksidira, a pod uticajem atmosfere s vremenom se prevlači zelenom bojom. Ne topi se u razređenim kiselinama. U prirodi redak u elementarnom stanju, može se naći raspršenog u stenama u obliku sitnog zrna, pločica, grančica ili mahunasto isprepletenih niti (najčešće kao hemijski čistog ili sa malo primesa srebra i bizmuta). Poznato je oko 240 ruda bakra. Najviše ga ima u sulfidnim rudama (halkopirit, kovelit, halkozin i borit), zatim u oksidnim (kuprit) i u karbonatnim rudama (malahit i azurit). Sulfidne i oksidne rude se u prirodi nalaze najviše sa sulfidom gvoždja, a rjeđe sa sulfidima drugih metala. Sadržaj bakra u rudama relativno je nizak. Bogate rude sadrže 3-10% bakra. Zahvaljujući efikasnim metodama obogaćivanja eksploatiraju se i siromašnije rude, te se najveća količina bakra danas dobija iz ruda koje sadrže 0,5-2% bakra. Bakar je poznat još iz

3

praistorijskih vremena. Upotrebljavan je još u neolitu (8000 g. prie Hrista). U Egiptu se koristio oko 5000 g. prie Hrista, za izradu oruđa i oružja (bronza), a dobijao se iz rudnika sa Sinajskog poluostrva. Na Kipru i Kritu koristi se od 3000 g. prie Hristova rođenja. U antičko doba dolazio je gotovo isključivo s Kipra te je bio poznat pod nazivom aes cyprium (Kiparska ruda) ili u kraćem obliku cyprium. Iz oksidnih ruda bakar se najćešće dobija hidrometalurškim (mokrim) postupkom. Iz bogatijih sulfidnih ruda ili iz siromašnih sulfidnih ruda koje su prethodno oplemenjene pomoću flotacije, bakar se izdvaja sukcesivnom oksidacijom i redukcijom u plamenim pećima. Tako se dobija bakrenac ili bakarni kamenac, s oko 30-40% bakra, a nakon toga sirovi bakar ili blister. Sirovi bakar sadrži 97% bakra, ali nije još za upotrebu jer ima u sebi neke primese (gvoždje, arsen, zlato i dr.). Primese se moraju ukloniti, ili zbog njihove vrednosti zlato, srebro), ili zbog štetnog uticaja (gvoždje, arsen i dr.). To se postiže topljenjem ili češće, pomoću elektrolize (elektrolitski bakar s 99,96-99,99% bakra). Spojevi: bakar je u spojevima jednovalentan i dvovalentan. Grejan na vazduhu, oksidira se i pretvara u crveni bakar (I)-oksid (Cu2O), i crni bakar(II)-oksid (CuO), koji služi kao boja za bojenje staklenih površina. Bakar(II)-sulfat (CuSO4 x 5H2O) dobija se otapanjem bakra u sulfatnoj kiselini, a služi u vinogradarstvu. Bazični bakar(II)-karbonat (CuCO3 x Cu(OH)2) stvara se na bakrenim predmetima kao patina, a u prirodi se nalazi kao malahit. Bakar(II)-hlorid (CuCl2) upotrebljava se u proizvodnji nekih organskih boja i u pirotehnici.

4

Hemijski podaci

Otkriće: Poznat još antičkim civilizacijama.

Opis: Bakar je crvenkast metal, lako obradiv, visoke električne provodljivosti što ga čini idealnim za električne instalacije i elektroniku, što mu je najvažnija komercijalna upotreba. Otporan je na vodu i vazduh, koristi se kao krovni materijal za javne zgrade gde polako pod uticajem vremena dobija zelenu patinu relativno lepog izgleda (bakrov karbonat). Istorijski je važan kao jedan od prvih obrađivanih metala, pogotovo za pravljenje bronze. Još se uvek koristi za pravljenje novčića.

Atomska masa - 63,546 u

Atomski radijus - 135 (145) pm

Kоvalentni radijus - 138 pm

Vан Dер Valsov radijus - 140 pm

Elektronska konfiguracija - [Ar]3d104s1

e- na energetskim nivoima - 2, 8, 18, 1

Oksidacioni brojevi - 1, 2, 3, 4

Osobine oksida – srednje bazni

Kristalna struktura – regularno zidno centrirana

5

Fizičke osobine

Agregatno stanje – čvrsto

Temperatura topljenja – 1084,4C0

Temperatura ključanja – 2567 C0

Molska zapremina – 7,11 ∙10−3m3 /mol

Toplota isparavanja – 300,3Kj /mol

Pritisak zasićene pare – 0,0505 Pa(1385K)

Brzina zvuka – 3570m kroz s (293,15K)

6

Dobijanje bakra

Bakar se najčešće dobija iz ruda u kojima ga ima relativno malo (2-5%), stoga se mora prethodno koncentrirati uklanjanjem jalovine. Koncentrisanje se vrši postupkom flotacije (lat.fluo - plivati) tako da se sitno samlevena ruda pomeša s puno vode u koju je dodano sredstvo za penjenje (posebna vrsta ulja). Ruda zaostaje u površinskom penećem sloju jer se ne kvasi, a jalovina tone na dno (premda joj je gustoća manja od gustoće rude). Daljim postupkom izdvaja se ulje i vraća natrag u proces flotacije, a nastali koncentrat ide u daljnju preradu.Mehanička priprema rude obuhvata sledeće operacije: drobljenje i klasiranje, sušenje, briketiranje i mešanje rude s istopljenim dodatkom (tj. sastavljanje punjenja peći - smesa rude i/ili koncentrata i istopljenog dodatka), dok se hemijska priprema svodi na žarenje i podešavanje sastava istopljenog dodatka. U metalurgiji bakra primenjuje se nekoliko načina žarenja:

1.Obično žarenje sprovodi se radi uklanjanja konstitucione vode iz karbonatnih ruda i koncentrata, a vrši se pri temeperaturi od 250°C.2.Klorirajuće žarenje kojim se oksidne i sulfidne rude prevode u hlorid topljiv u vodi (CuCl2), a vrši se pri temperaturi 500-600°C.3.Ulfatizirajuće žarenje prevodi sulfidne rude u sulfat bakra topljiv u void.4.Oksidirajuće žarenje provodi se radi uklanjanja suvišnog sumpora u sulfidnim rudama.5.Aglomerirajuće žarenje kojim se ukrupnjava materijal kako bi se mogao topiti u

7

pećima. Za dobijanje bakra koristi se nekoliko metoda: suva ili pirometalurška, mokra ili hidrometalurška i elektrometalurška.

1. Suva, pirometalurška metoda

Koristi se za preradu bogatih i srednje bogatih sulfidnih ruda i ruda samog bakra. Najvažnija ruda za dobijanje bakra je bakrena pakovina (CuFeS2) koja se prethodno žari radi uklanjanja dela sumpora, a ostatak se uglavnom sastoji od Cu2S, FeS i Fe2O3. Dalje se ruda topljenjem prevodi u "bakreni kamen" (bakrenac, koji je uglavnom smesa CU2S i FeS) što se vrši u velikoj peći koja se puni smesom koncentrirane rude, koksa i kvarca. Nizom reakcija u različitim delovima peći sumirano nastaje ugljenikov monoksid (grotleni plin) i istopina bakrenca (gustoće 4-6 g/cm3) na kojem pliva troska (gvozdeni oksidi vezani u silikate gustoće 3-4 g/cm3):Fe2O3 + SiO2 + C -> Fe2SiO4 + CODaljnja prerada odvija se prebacivanjem istopine bakrenca u prethodno zagrejan konverter (iznad 900°C). Pri tome najpre gvozdeni sulfid prelazi u oksid, a zatim se veže s kvarcem koji mu se doda u trosku, a sumpor isparava:FeS + 3/202 -> FeO + SO2 + 468kJ2FeS + SiO2 -> Fe2SiO4 + 75kJ

Kada najveći deo gvoždja pređe u trosku, preostali Cu2S se oksidira i nastaje sirovi bakar prema reakcijama:Cu2S + 3/2O2 -> Cu2O + SO2 + 389kJ2Cu2O + Cu2S -> 6Cu + SO2 - 125 kJReakcije su sumirano egzotermne (oslobađaju toplotu) pa nije potrebno dodatno zagrevanje.

2. Mokra (hidrometalurška) metoda

Ova se metoda koristi za dobijanje bakra iz siromašnih ruda odnosno otpadnih proizvoda drugih procesa, npr. pri proizvodnji sumporne kiseline iz pirita. Postupak se sastoji u tome da se ruda tretira pogodnim otapanjem da bi se bakar preveo u istopleno stanje iz kojeg se kao metal izdvaja elektrolizom ili cementacijom. Za izdvajanje metalnog bakra elektrolizom kao netopljive anode koriste se olovne ploče, a kao katode tanki listići čistog bakra. Izdvajanje bakra iz istopine cementacijom vrši se reakcijom gvoždja s ionima bakra:Cu^2+ + Fe -> Cu + FeElektroliza kao način izdvajanja metalnog bakra ima prednost pred cementacijom jer se dobija čišći bakar.Nakon proizvodnje bakra, suvom ili mokrom metodom, dobije se sirovi bakar čistoće

8

94-97% koji sadrži primese: Gvoždja (Fe), nikla (Ni), sumpora (S), Cinka (Zn), antimona (Sb), bizmuta (Bi), kositra (Sn), olova (Pb), selenijuma (Se) i telurijuma (Te), a ponekad srebra (Ag), zlata (Au) i platine (Pt). Radi poboljšanja svojstava (plastičnosti i električne provodljivosti) primese se moraju ukloniti pri čemu se koriste dva postupka rafinacije bakra: Rafinacija topljenjem i elektrolitička rafinacija.

9

Svojstva i upotreba bakra

Bakar je metal svetle crvenosmeđe boje, kubno centrirane kristalne rešetke. U čistom stanju relativno je mekan, ali vrlo žilav i rastegljiv. Lako se kuje, valja (na hladno i vruće) i izvlači u vrlo tanke žice. Može se meko i tvrdo lemiti i zavarivati. Odlično provodi električnu struju i toplotu. Relativno je postojan na vazduhu, a izlaganjem uticaju atmosfere dobija zeleno-belu patinu (malahit) koja ga štiti od daljnje oksidacije. Patina može biti i drugačijeg hemijskog sastava (hidroksisulfat, hidroksiklorid), zavisno o čistoćama u atmosferi. Patina se često stvara na raznim predmetima (npr. bakrenim krovovima i skulpturama) radi zaštite od uticaja atmosphere.Zagrejan na vazduhu lako prelazi u crni bakrov(II)-oksid (CuO) i obrnuto; zagrejani CuO u prisutnog reducensa lako otpušta kiseonik pa ova reakcija može služiti za određivanje vodonika (nastaje voda) i ugljenika (nastaje CO2) u elementarnoj analizi organskih spojeva.Zbog izuzetno visoke električne I toplotne provodljivosti, otpornosti prema koroziji i dobrih mehaničkih svojstava bakar ima vrlo široku primenu, naročito u elektrotehnici. Služi za izradu grejača, cevi i kotlova u prehrambenoj industriji. U građevinarstvu se primjenjuje za izradu velikih pokrova koji, zbog svojstava bakrene patine, imaju veliku trajnost i specifičan izgled. U metalurgiji ima veliku primenu kao legirajući metal.

Legure bakra

Legure bakra su važni tehnički materijali odličnih mehaničkih svojstava. Mogu se dobro liti i obrađivati metodama tople i hladne deformacije i termičkim metodama. Uz to bakrene legure su vrlo dobri vodiči električne struje i toplote, a izuzetno su otporne prema koroziji i habanju. Prema sastavu bakrene legure mogu se podeliti na: tehničke legure bakra, bakar s manjim dodacima primesa, mesinga i bronze. Proizvode od bakra (uključujući i legure) sve više istiskuju razne vrste čelika i drugih jeftinijih materijala.Tehnički bakar sadrži najmanje 99,5% bakra, a ostalo su primese. Najvažnije su vrste:

10

1.Visokoprovodljivi elektrolitički bakar- ETP-bakar (99,90% Cu; 0,4% O), upotrebljava se za izradu električnih sklopki i prekidača, tiskarskih valjaka te kao materijal za izradu krovnih pokrova i bakrene galanterije u građevinarstvu.2.Visokoprovodljivi bakar bez kiseonika- OFHC-bakar (99,92% Cu) najčešće je konstrukcioni metal koji se danas koristi u industriji za vodove, elektronske cevi, elektrane, grejače, radijatore, uljna hladnjace itd.3.Arsen bakar- (99,65% Cu; 0,025% P; 0,30% As) se upotrebljava za izradu bojlera, radijatora, cevi za kondenzaciju, itd. 

-Bakar s manjim dodacima ima visok sadržaj bakra (iznad 98%), a osobine mu zavise od dodataka. Najvažniji su:

1.Kadmijum bakar- (99,00% Cu; 0,6-1,0% Cd). Upotrebljava se za elastične delove aparata koji se zagrevaju ili leme, izradu posuda, električne vodove i elektrode za zavarivanje.

2.Hrom bakar- (99,50% Cu; 0,5% Cr) i telurijum bakar (99,50% Cu; 0,5% Te). Odlikuju se čvrstoćom na visokoj temperaturi, otpornošću na koroziju i lakom

mehaničkom obradom. Koristi se za izradu elektroda za zavarivanje, elektromotore i za delove električnih aparata.

11

3.Berilijum bakar legure- Tip1 i Tip2 (Tip1: 98% Cu; 2% Be i Tip 2: 97% Cu; 0,4% Be; 2,6% Co). Ove legure imaju visoku čvrstoću i tvrdoću, a upotrebljavaju se za

telefonske vodove, delove u rotorima elektromotora i za izradu opruga.

Mesing

Mesing je legura bakra i Cinka kojima se mogu dodati i manje količine drugih metala (Sn, Fe, Mn, Ni, Al i Si). Mesing su se donedavno puno više koristile u industriji, a najpoznatije su:1.Tombak mesing- Tombak (94% Cu; 5% Zn; maks 0,03% Pb; maks 0,05% Fe), crveni tombak (90% Cu; 10% Zn; maks 0,05% Pb; maks 0,05% Fe), zlatni tombak (85% Cu; 15% Zn; maks 0,06% Pb; maks 0,05% Fe), svetlocrveni tombak (80% Cu; 20% Zn; maks 0.05% Pb; maks 0,05% Fe) i žuti tombak (65% Cu; 34% Zn; maks 0.15% Pb; maks 0,05% Fe). Ove se legure upotrebljavaju za izradu nakita, ukrasa, elastičnih cevi, košuljica zrna za municiju, itd.2.Mesing za kovanje- (60% Cu; 39% Zn; 0,30% Pb; 0,07% Fe) koriste se za izradu

12

limova, traka, šipki i sličnih proizvoda.3.Mesing za zavrtanje- (58% Cu; 40% Zn; dodaci do 2%) koriste se za sitne delove istrumenata, zupčanike satova, gravirane skale i sl.4.Mornarički mesing-(Cu 60%; Zn 39%; Sn 1%) otporan je na koroziju, jeftin je, a koristi se u brodogradnji u obliku ploča, traka i šipki.

BRONZA

Bronze su legure bakra i kositra, a odlikuju se visokom čvrstoćom i tvrdoćom te visokom otpornošću na koroziju. Značajne su bronze za valjanje (sadrže 6-9% Sn) i livenje (4-10% Sn). Nekada su se koristile za livenje topovskih cijevi, a danas uglavnom za ležajeve, delove pumpi, armaturu parnih kotlova i sl.1.Aluminijske bronze- (sadrže 5-12% Al) otporne su na atmosfersku i hemijsku koroziju, imaju visoku čvrstoću i tvrdoću i lepu zlatnu boju. Upotrebljavaju se za izradu bižuterije, nakita, kovanog novca, zupčanika, ventila, itd.2.Fosforne bronze- (sadrže 0,1-0,3% P) otporne su na korozivno delovanje morske vode, pogodne za hladno valjanje i razvlačenje. Upotrebljavaju se u brodogradnji, za izradu raznih ventila i sl.

13

IZOTOPI

Broj izotopa (uključujući nuklearne izomere): 18Masa izotopa: od 58 do 73

Ključni izotopi

Nuklid: 63^Cu 65^Cu*Atomska masa: 62,9295989 64,9277929

Prirodna količina (%): 69,17 30,83Nuklearni spin: 3/2- 3/2-

Nuklearni magnetski moment: +2,2233 +2,3817

Korištenje: E, NMR E, NMR

Minerali: Kristali čistog bakra se pojavljuju prirodno i postoje mala nalazišta u SAD-u, Nemačkoj, Zambiji, Čileu i Italiji.

14

MINERALI I PROIZVODNJA

Mineral Formula Gustoća Tvrdoća StrukturaAtakamit Cu2Cl(OH)3 3,77 3-3,5 ortorompskaAzurit Cu(CO3)2(OH)2 3,773 3,5-4 monoklinskaBornit Su5FeS4 5,07 3 tetragonskaBrohantit Cu4(SO4)(OH)4 3,97 3,5-4 monoklinskaHalkantit CuSO4.5H2O 2,286 2,5 triklinskaHalkocit Cu2S 5,7 2,5-3 heksagonskaHalkopirit CuFeS2 4,2 3,5-4 tetragonska

Glavne rude: halkopirit daje oko 80% svetske proizvodnje bakra (sa srebrom i zlatom kao nusproduktima), halkantit, brohantit.

Svetska proizvodnja/m3 godina: 6,54 x 106

Rezerve: 310 x 106tona

Pakovanje (uobičajeno): Nabavljivo u obliku poluga, folije, praha, žice.

15

PROIZVODI OD BAKRA

16

Literatura:

http://www.pse.pbf.hr/index.html

http://sr.wikipedia.org/sr

17